《金屬材料工程概論（第2版）》4金屬結(jié)構(gòu)材料課件

4金屬結(jié)構(gòu)材料圖4-1金屬結(jié)構(gòu)材料的分類圖4-1所示的四種材料結(jié)構(gòu)材料，耐蝕材料，耐磨材料，耐熱材料，可以分別用主要性能貫穿：強度、耐蝕、硬度及耐熱。在圖中存在一定聯(lián)系。4.1鋼的分類鋼是指含碳量小于2.06%（質(zhì)量分數(shù)）的鐵-碳合金。按鋼中是否添加合金元素，將鋼分為碳素鋼(簡稱碳鋼)和合金鋼。冶煉時所用原材料以及冶煉方法和工藝操作等所帶入鋼中的少量化學元素，則稱之為雜質(zhì)元素。碳素鋼中常見的雜質(zhì)元素有錳、硅、硫、磷、氧、氮、氫等，它們的含量一般控制在下列范圍：WMn=0.25%～0.8%、WSi=0.17%～0.37%、WS<0.065%、WP<0.045%。合金鋼中作為常見雜質(zhì)元素有錳、硅、鉻、鎳、銅、鉬、鎢、硫、磷、氧、氮、氫等，但是它們的含量一般控制在下列范圍：WMn≤0.5%、WSi≤0.4%、WCr≤0.3%、WNi≤0.3%、WCu≤0.3%、WMo≤0.1%、WW≤0.2%、WP≤0.025%～0.04%、WS≤0.015%～0.05%。大于以上范圍應視為合金元素。同一化學元素既可能作為雜質(zhì)元素又可能作為添加的合金元素，若屬于前者，則影響鋼的質(zhì)量；若屬于后者，則決定鋼的組織與性能。4.1.1按質(zhì)量等級、主要性能、特性分類

非合金鋼普通質(zhì)量非合金鋼優(yōu)質(zhì)非合金鋼特殊質(zhì)量非合金鋼低合金鋼普通質(zhì)量低合金鋼優(yōu)質(zhì)低合金鋼特殊優(yōu)質(zhì)低合金鋼合金鋼優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼4.1.2按組織分類按照平衡狀態(tài)或退火狀態(tài)的組織分類1）亞共析鋼，為先共析鐵素體和珠光體組成的整合組織2）共析鋼，珠光體組織3）過共析鋼，由二次碳化物和珠光體組成的整合組織4）萊氏體鋼，組織中有一次碳化物5）鐵素體鋼，在高溫和室溫下鐵素體組織穩(wěn)定，加熱和冷卻過程中鐵素體組織不變6）奧氏體鋼，在高溫和室溫下奧氏體組織穩(wěn)定，加熱和冷卻過程中不轉(zhuǎn)變7）半鐵素體鋼，為鐵素體加奧氏體組織的鋼，在加熱和冷卻過程中鐵素體和奧氏體相互轉(zhuǎn)變按照正火組織分類將直徑為25mm的鋼材加熱到900℃，然后在空氣中冷卻，按得到的組織類型分類。珠光體鋼，貝氏體鋼，馬氏體鋼，奧氏體鋼，復相鋼等4.1.3其他分類按碳質(zhì)量分數(shù)分①低碳鋼

碳的質(zhì)量分數(shù)WC≤0.25%的鋼②中碳鋼

碳的質(zhì)量分數(shù)為0.25%<WC≤0.60%的鋼③高碳鋼

碳的質(zhì)量分數(shù)WC>0.60%的鋼按鋼的硫、磷質(zhì)量分數(shù)等級分類①普通鋼WS≤0.055%,WP≤0.045%。②優(yōu)質(zhì)鋼WS≤0.040%,WP≤0.040%。③高級優(yōu)質(zhì)鋼WS≤0.030%,WP≤0.035%。④特級優(yōu)質(zhì)鋼WS≤0.025%,WP≤0.030%。按用途分類①碳素結(jié)構(gòu)鋼

用于制造各種機器零件和工程結(jié)構(gòu)件②碳素工具鋼

用于制造各種刀具、量具和模具③合金鋼可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼其中合金結(jié)構(gòu)鋼又可按具體的用途分：合金滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼。合金工具鋼又可分為：合金刃具鋼、合金量具鋼、合金模具鋼；而合金模具鋼又可分為：冷作模具鋼、熱作模具鋼。特殊性能鋼可分為：不銹鋼、耐磨鋼、耐熱鋼。碳素鋼的分類4.1.3其他分類另外,工業(yè)用鋼按冶煉方法的不同,可分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼等；按煉鋼的脫氧程度又可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。4.2碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼4.2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼

1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：對含碳量、性能和雜質(zhì)含量的限制較寬。有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼——對鋼中硫、磷及非金屬夾雜物的存在要求較嚴，含量要求較低，依據(jù)用途及含碳量不同（1）低碳鋼：

小于0.25％C的低碳鋼

（20G鋼，熱軋態(tài)的金相組織如圖4-1）又分為3種（2）中碳鋼：0.25~0.60％C的中碳鋼

（3）高碳鋼：大于0.60％C的高碳鋼

4.2碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼圖4-1鍋爐用鋼20G的金相組織白色晶粒為鐵素體，黑色塊狀部分為珠光體4.2.1碳素結(jié)構(gòu)鋼

4.2.2低合金鋼概述技術(shù)發(fā)展歷程普通低合金高強度鋼的分類

一般建筑結(jié)構(gòu)鋼屈服點為30～55Mpa鋼筋鋼如16Mn、16SiTi等耐蝕鋼如10MnPNbRE鋼

低溫用鋼如09Mn2V4.2碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼4.2碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度鋼4.2.2低合金鋼我國的低合金高強度鋼我國的低合金高強度鋼有21種，是按屈服強度高低來分類的。

共分為300MPa級、350MPa級、400MPa級、450MPa級、500MPa級、和650MPa級6個級別。4.3鐵素體－珠光體鋼組織結(jié)構(gòu)和力學性能

中、高碳鐵素體－珠光體鋼是含0.3%C以上的碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，是國民經(jīng)濟中應用非常廣泛的鋼鐵材料。

圖4－245鋼的鐵素體＋珠光體組織顯微組織：鐵素體＋珠光體相組成物：鐵素體＋滲碳體4.4調(diào)質(zhì)鋼提高鋼強度最有效的方法是淬火熱處理。淬火后，可以通過回火處理來調(diào)整鋼的強度、塑性和韌性。通常，將淬火＋高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。機器部件一般采用調(diào)質(zhì)工藝來獲得各項力學性能的最佳組合，稱為綜合機械性能。中溫回火得到的尚保留著馬氏體形貌特征的鐵素體和片狀（或細小顆粒）滲碳體的整合組織，稱為回火托氏體。以往文獻中稱其為回火屈氏體。如果貝氏體回火時也得到這些相和具有同樣的形貌特征，也稱為回火托氏體。4.4調(diào)質(zhì)鋼圖4－4為25CrNiMoV鋼的回火托氏體組織照片，可見鐵素體仍然保持著條片狀特征，沒有完成再結(jié)晶。圖4－425CrNiMoV鋼的調(diào)質(zhì)組織

×5004.4調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼的淬透性和典型鋼種調(diào)質(zhì)鋼的合金化及熱處理的主要原則有二：①保證鋼具有必需的淬透性，使零件在淬火后具有足夠厚的馬氏體層，并使馬氏體保持細的隱晶組織；②在高溫回火后零件獲得所預期的綜合性能。4.4調(diào)質(zhì)鋼有代表性的調(diào)質(zhì)鋼，按其淬透性的大小，可以分為下列幾級：1）低淬透性調(diào)質(zhì)鋼，油淬臨界直徑最大為30~40mm，典型鋼種有40，45，45B，40Cr，45Mn2；2）淬透性調(diào)質(zhì)鋼，油淬臨界直徑最大為40~60mm，典型鋼種有45MnB，35SiMn，35CrMo，40CrNi，42MnVB，40MnMoB；3）高淬透性調(diào)質(zhì)鋼油淬臨界直徑在60mm以上，典型鋼種有40CrMnMo，40CrNiMo，35SiMn2MoV。4.5超高強度鋼超高強度鋼：是指σb及σs分別約大于1400MPa及1200MPa的鋼。超高強度結(jié)構(gòu)鋼可以分為三類：(1)低合金超高強度鋼，低合金超高強度結(jié)構(gòu)鋼，采用淬火＋低溫回火，獲得回火馬氏體組織。圖4－530CrMnSi鋼的回火馬氏體組織,OM4.5超高強度鋼(2)中合金超高強度鋼中合金超高強度結(jié)構(gòu)鋼，采用淬火＋500～550℃回火，獲得回火托氏體組織。(3)高合金超高強度鋼采用金屬間化合物Ni3Ti，Ni3Mo進行沉淀強化，為馬氏體時效鋼。馬氏體時效鋼是一種以鐵鎳為基礎的高合金鋼。當鎳含量>6％時，高溫奧氏體冷卻至室溫時，將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。再加熱至500℃，此馬氏體組織仍保持穩(wěn)定，這種加熱和冷卻過程中的相變滯后現(xiàn)象是馬氏體時效鋼的組織基礎。

4.6彈簧鋼彈簧鋼：是指用于制造各種彈簧的鋼種。彈簧的主要作用是緩沖、減振、存儲能量及測量力，所以彈簧鋼應具有以下性能：（1）高的彈性極限或屈服極限和高的屈強比（σ0.2/σb），以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。（2）高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應力作用下不產(chǎn)生疲勞破壞。（3）為了滿足成形的需要和可能承受的沖擊載荷，彈簧鋼應具有一定的塑性和韌性。4.6彈簧鋼彈簧鋼的性能要求以強度為主，因此它的化學成分有以下特點：（1）中、高碳含量

目的是提高彈性極限和屈服極限。一般碳素彈簧鋼的含碳量wc=0.6％~0.90％，合金彈簧鋼wc=0.50％~0.70％。（2）加入Si、Mn元素（3）加入Cr、V、W常用的彈簧鋼有65，70，80，65Mn，60Si2Mn，50CrVA，50CrMnA，60Si2CrVA，70Si3Mn，60Si2MnBRe等。4.6彈簧鋼彈簧鋼的成分特點是中高碳鋼或中高碳低合金鋼，多數(shù)含有錳、硅元素。熱處理特點是淬火＋中溫回火；使用組織為回火托氏體。具有較高的彈性極限。圖4－770鋼調(diào)質(zhì)處理后拉拔的纖維狀組織,OM

4.7滲碳鋼、滲氮鋼通過化學方法使鋼表面層增碳或增氮的工藝叫滲碳或滲氮。所謂滲碳、滲氮鋼是指專門用于滲碳或滲氮處理的鋼種。4.7.1滲碳鋼為了獲得滿意的性能，有時需要進行較為復雜的淬火熱處理。一般的滲碳熱處理工藝如圖4－8所示。4.7滲碳鋼、滲氮鋼圖4－8鋼的滲碳－淬火工藝曲線4.7.1滲碳鋼4.7滲碳鋼、滲氮鋼滲碳鋼的成分特點是低碳鋼或低碳低合金鋼，熱處理特點是滲碳＋淬火－低溫回火。表層組織為回火馬氏體組織；中間是過渡層，為珠光體＋網(wǎng)狀鐵素體組織。圖4－9滲碳鋼20滲碳后的組織,OM4.7滲碳鋼、滲氮鋼4.7.2滲氮鋼

滲氮是在500～650℃范圍內(nèi)，在由氨分解的氣體環(huán)境中進行，最常用的溫度為500～535℃。滲氮時間約為36～72h，滲氮層厚度約為0.25～0.50mm。常用的滲氮鋼有38CrMoAlA、38Cr2WVAlA、30CrNi2WVA、30Cr3WA等。

滲氮前滲氮鋼需進行淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)處理，使鋼獲得回火索氏體組織，以便于氮原子的滲入；同時使鋼具有適當?shù)膹姸群退苄缘呐浜?，便于進行切削加工，削去表面脫碳層，避免隨后的滲氮層較脆，易于裂開的現(xiàn)象發(fā)生；切削加工后還應該在593～704℃范圍內(nèi)進行消除殘余內(nèi)應力的熱處理。4.8雙相鋼雙相鋼：是指α、γ轉(zhuǎn)變形成的馬氏體(M)或貝氏體(B)。典型的雙相鋼含有10%~20％的M(或B)的強化相及90%～80％的鐵素體基體。從生產(chǎn)工藝考慮，可分為兩個類型(1)空冷雙相鋼(2)軋制雙相鋼4.8雙相鋼圖4－10鐵素體－馬氏體雙相鋼的組織形貌,OM鐵素體為等軸狀晶粒，高倍下（圖b）可以看到板條狀馬氏體被鐵素體包圍。4.9低溫用鋼低溫鋼是指在-10℃以下低溫條件下服役的鋼，具有足夠的缺口韌性。通常在-10~-196℃的等溫下使用的鋼稱為低溫鋼。在-196℃以下使用的鋼稱為超等溫鋼。

低溫用鋼大致分為三類：低合金鋼、鎳鋼、奧氏體不銹鋼。低溫用鋼按其顯微組織可分為鐵素體型、奧氏體型和低碳馬氏體型。4.9低溫用鋼低合金鋼這類鋼的成分為0.05％～0.28％C，0.6％～2.0％Mn，Mn／C比已達到10。這類鋼的最低使用溫度約為-60℃。如16MnDR、09Mn2VDR等。鎳系低溫鋼鎳是提高鋼的等溫韌性最有效的合金元